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Efectos Eléctricos: TermocuplaGeneral

Dispositivo de versátil y de relativo bajo costo Disponible en muchos formatos pre-fabricadosMúltiples aplicaciones: instrumentos de mano (hand-held), industriales, ,multicanal, etc.Basados en diferencia de temperatura en junturas compuestas por metales diferentes

Basado en un fenómeno físico denominado efecto Seebeck, descubierto en 1821, por T. J. Seebeck

Termocupla: Principio de OperaciónEl voltaje es generado por los alambres y no por la juntura: la juntura sólo actúa como la conexión entre los alambres.V≠0 si los metales son diferentes

Tx

Ta

V

TbA

B

Gradiente de temperatura

•eA y eB: Coeficiente de Seebek. Depende de la T°

∫∫ +=b

x

x

a

T

TB

T

TA dTedTeV

V(T) está bien establecido para muchas combinaciones diferentes de metales

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Termocupla: Principio de OperaciónDesde el punto de vista interno, los electrones libres en un metal a T° mayor que 0°K, tienen energía cinética asociada a la T° del metal

Cuando un extremo del metal es calentado, los electrones de ese extremo adquieren mayor energía que los del extremo frío Luego comienza un proceso de desplazamiento de electrones desde la zona de mayor energía a la zona de mejor

Termocupla: Principio de OperaciónSi los alambres son del mismo tipo, o si hay es un solo tipo de alambre , y los extremos están a la misma T° => V=0 [V].

Tx

Ta

V

TbA

B

[ ]V 0=+= ∫∫b

x

x

a

T

TB

T

TA dTedTeV

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Termocupla: Principio de OperaciónSi se usa sólo un material: V=0

Termocupla: Principio de OperaciónUsando juntura con metales diferentes: V≠0

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Termocupla: Principio de OperaciónUsando juntura con metales diferentes: V≠0

Termocupla: Ley de los metales intermedios

Considere el circuito de una TC simple. Si un tercer metal es agregado entre los primeros dos, A y B, el voltaje neto del circuito no cambia, siempre y cuando las dos junturas estén a la misma T°

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Termocupla: Ley de las temperaturas intermedias

El voltaje que genera un circuito de junturas operando a las temperaturas T1 y T3, es el mismo que la suma de los voltajes de circuitos operando entre T1-T2, y T2-T3

Termocupla: Como medir?

Al utilizar un voltímetro se introducen dos nuevas junturasRESULTADO: 3 junturas distintas, todas a temperaturas distintas

Tx

Con

Fe

V

Cu

Cu=

Cu Con

Fe

Tx

Cu

V

Con

aTx

Fe

b

TeóricamenteVab= f(Tx-Tab)TeóricamenteVab= f(Tx-Tab)

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Solución: Juntura de Referencia

Cu

V

Cu Fe

Tref= 0°C

Con

Fe

TxCu

V

Cu Fe

Tref

Con

Fe

Tx Add

Usar una referencia conocida de temperatura Bloque isotérmico

Si las dos junturas Cu Fe están a la misma T°, producen el mismo voltaje y en consecuencia se cancelanLuego, el voltaje V, es función de la diferencia entre la temperatura Tx y la de referencia TrefSi el voltaje a Tref, es conocido (tabulado), entonces V es función de Tx

Baño de Hielo

Eliminando el Baño de Hielo

No forzar Tref al punto hieloSólo medir la T° del punto de referenciaCompensar Tref matemáticamente (Ley de las T°’s intermedias)

Cu

V

Cu Fe

Con

Fe

Tx

V=f{ Tx - Tref }ThieloThielo

TablasConocido Tref se puede calcular Tx

Thielo

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Eliminando la segunda termocupla

Extender el bloque isotermal

2

Cu

V

Cu Fe

Con

Fe

Tx

1

Cu

V

Cu

Con

Fe

Tx

2Tref

Si el punto 1 y 2 están a la misma T° (gradiente 0°), entonces su voltaje equivalente es 0V.Esto es importante, pues significa que se puede conectar directamente un par de cables de conexión (iguales) a un bloque isotérmico conectado a una sola termocupla (la de medición)

Calculo de Tx con una Termocupla

Medir Tref con RTD, IC sensor, etc.Calcular Vref respecto a Tref (Tablas)Conocido V, y Vref, calcular Vx (voltaje en juntura de medición)Resolver para Tx en función de Vx (tablas)

Cu

V

Cu

Con

FeTx

Tref

Tx

0 Tref

VxVref

Tx

Vx=V+VrefVx=V+Vref

V

o

Vx

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Calculo de Tx con una Termocupla

0 Tref Txo

V

T

Curva No lineal

ModeloT=a0 +a1V +a2 V2 +a3 V3 +.... an Vn

aprox. lineal en unazona pequeña

Tipos de TermocuplaEn USA está dado el standard E230 de la ASTM (American Societyfor Testing and Materials) Se identifican 8 tiposSelección depende de aplicación: Tipo de ambiente, rango de T°

Los termopares J son versátiles y de bajo costo. Se pueden emplear en atmósferas oxidantes y reductoras. Se aplican a menudo en hornos de combustión abiertos a la atmósfera. Los termopares K se emplean en atmósferas no reductoras y, en su margen de medida, son mejores que los de tipo E, J y T cuando se trata de medir en atmósferas oxidantes. Los termopares T resisten la corrosión, de modo que se pueden emplear en atmósferas de alta humedad. Los termopares E son los de mayor sensibilidad y resisten la corrosión por debajo de 0ºC y las atmósferas oxidantes.Los termopares N resisten la oxidación y ofrecen mejor estabilidad a altas temperaturas. Los termopares con metales nobles (B, R Y S) tienen muy alta resistencia a la oxidación y a la corrosión.

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Tipos de Termocuplas

Tipos de Termocuplas

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Standard de ColoresUnited States ASTM

British BS4937: Part 30: 1993:

French NFE:

German DIN:

Tipos de Termocuplas

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Formatos de Termocuplas

Formatos de Termocuplas

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Ejemplo encapsulado industrial

Formatos de TermocuplasEvaluación

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Curva Termocupla K: mV y T°

Ejemplo: Sensor para unidad neonatal de cuidados intensivos

La incubadora debe mantener dentro una T° de 35°CLa T° ambiente es mantenida a 23°C

Si la juntura de referencia estámantenida en un baño de hielo, cuál es el voltaje de la TC?Si la juntura de referencia es mantenida a la T° ambiente cual es el voltaje de la TC?

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Ejemplo: Sensor para unidad neonatal de cuidados intensivos

Si la T° de referencia es a 0°, el voltaje se puede leer directamente de la tabla para 35°C

Ejemplo: Sensor para unidad neonatal de cuidados intensivos

Si la T° de referencia es la T°ambiente de 23°C, se debe considerar esta T° respecto a 0°C

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Ejemplo: Sensor para unidad neonatal de cuidados intensivos

Circuito Equivalente

Resumiendo

VentajasDisponibles para la mayoría de las aplicacionesAmplio rango de T°Necesitan un área pequeña para realizar la mediciónRobustas y relativo bajo costo.Respuesta dinámica.

DesventajasNo lineal (actualmente no es un problema: compensación electrónica)Debido al bajo voltaje de operación (mV), presenta una mayor sensibilidad al ruido eléctrico (partidas/paradas motores, variadores de frecuencia, equipos electrónicos cercanos)

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Resumiendo

Volt. Inducción

Volt.

Ruido Inducido

Par trenzado minimiza efecto inducción

Se generan corrientes iguales y opuestas

Resumiendo